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Polygonaler Druckbehälter
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrschaligen, vorgespannten
Druckbehälter für hohe Drücke und/oder Temperaturen, insbesondere für Kernreaktoren.
Die Er-Eindung ist besonders geeignet für Behälter mit großen Durchmessern und für
Behälter aus zahlreichen, weitgehend gleichartigen Fertigbetonteilen.
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Für Kernreaktoren sind zahlreiche dickwandige Stahlbetonbehälter in
Ortbetonbauweise ausgeführt oder vorgeschlagen worden. Diese Behälter bestehen in
ihrer gesamten Wandstärke aus einem hochwertigen Stahlbeton und erfordern große
Mengen an Spannstahl und schlaffer Bewehrung. Die Bauzeit eines solchen Ortbetonbehälters
auf der Baustelle ist von erheblicher Bedeutung für die Terminplanung und läßt sich
kaum verkürzen. Ein weiterer. Nachteil dickwandiger Ortbetonbehälter, insbesondere,
wenn diese später höheren Temperaturen ausgesetzt sein können, ist das im Beton
enthaltene Wasser. Entweder muß man eine lange Trockenzeit in Kauf nehmen, die ebenfalls
die Terminplanung belastet, oder man muß damit rechnen, daß durch örtliche Temperatureinwirkung
dieses Wasser verdampft und dabei den Beton zerstört.
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In der deutschen Offenlegungsschrift 23 34 773 wird eine Kernreaktoranlage
beschrieben, deren Reaktordruckbehälter aus Stahl besteht und der in einem umgebenden
Stahlbetonbehälter mit Hilfe eines schüttbaren Materials festgelegt ist. Der Stahldruckbehälter
ist von einem wärmeisolierenden, druckfesten Material umschlossen und der das schüttbare
Material enthaltende Raum wird von einem gasförmigen Kühlmittel durchströmt. Ober
den äußeren Stahlbetonbehälter wird nichts gesagt, aus der Zeichnung ist aber ersichtlich,
daß er dickwandig, massiv und in Ortbetonbauweise hergestellt ist.
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In den deutschen Auslegeschriften 14 34 801 und 14 34 807 ist ein
Verfahren zur Herstellung eines dickwandigen Spannbetondruckbehälters für Kernreaktoren
beschrieben, bei dem eine Ringvorspannung und eine Längsvorspannung vorgesehen sind,
und der Behälter aus vorgefertigten, im Querschnitt annähernd trapezförmigen Kreisringsegmenten
besteht, die über die ganze Behälterhöhe durchgehen. Als Stoßfugen erhalten diese
Kreisringsegmente ebene radiale Berührungsflächen, die mit geeigneten Einsätzen
zur Erzeugung der Ringvorspannung aufgeweitet werden und deren Zwischenräume in
bekannter Weise zur Aufrechterhaltung der Ringvorspannung mit einem Material ausgefüllt
werden, das erhärtet und dann druckfest wird. Das örtliche Schließen der aufgeweiteten
Fugen mit nachträglich erhärtendem und dann druckfestem Material hat den Nachteil,
daß der Spannungsfluß in den Berührungsflächen nicht unterbrochen wird und besonders
bei dickwandigen Behältern erhebliche Zwängungen aus elastischen und plastischen
Dehnungen auftreten, die zu unterschiedlichen Spannungsverhältnissen in den Fertigbetonteilen
führen, da diese sich nicht durch geringfügige Drehbewegungen den Zwängungen entziehen
können. Besonders ungünstig wirken sich diese Verhältnisse
bei örtlichen
Temperatureinflüssen aus, deren Zwangswirkungen in den ebenen Berührungsflächen
ebenfalls nicht unterbrochen werden, wodurch ihre ungünstigen Auswirkungen sich
fortpflanzen und daher von vornherein durch zusätzlichen Aufwand an stählernen Vorspannelementen
und schlaffen Bewehrungen abzudecken sind.
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In der deutschen Auslegeschrift 15 59 150 wird ein als Hohlzylinder
ausgebildeter, in Längs- und Umfangsrichtung vorgespannter Druckbehälter, insbesondere
für einen Kernreaktor beschrieben, bestehend aus im Querschnitt etwa trapezförmigen
Betonfertigteilen, deren parallele Flächen die äußere und innere Mantelfläche des
Behälters bilden und bei dem die ebenen Kontaktflächen abwechselnd nach innen oder
nach außen weisende Keile bilden, die durch Aufbringen eines inneren Druckes gegeneinander
verkeilt werden und sich beim Ablassen dieses inneren Druckes durch Reibung zwischen
den Stoßfugen sperren, so daß die auf diese Weise in der Ringbewehrung aufgebrachte
Vorspannung erhalten bleibt. Gegenüber den oben erwähnten Vorschlägen ist es hier
von Vorteil, daß die Fugen zwischen den einzelnen Fertigbetonteilen nicht mehr mit
Beton ausgefüllt werden müssen und daher auch nicht bei der Montage die Aushärtezeit
dieses Betons abgewartet werden muß. Die oben beschriebenen Zwängungen zwischen
benachbarten Fertigbetonteilen sind aber auch bei diesem Druckbehälter zu erwarten.
Außerdem müssen diese keilförmigen Fertigbetonteile nach einem sehr aufwendigen
Verfahren und, insbesondere bei großen Durchmessern, mit einer sehr aufwendigen
Hilfskonstruktion verspannt werden. So wird dort vorgeschlagen, entweder in den
Behälterinnenraum ein hydrauliscnes Druckkissen einzuführen, oder aber hydraulische
Pressen anzusetzen. Diese Pressen müssen in radialer Richtung wirken und sind daher
jeweils auf die gegenüberliegende Innenwand des Behälters abzustützen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Druckbehälter für hohe
Drucke und/oder Temperaturen, bei dem gegenüber den bekannten Behältern die Mengen
an hochwertigem Material verringert und die Bauzeit auf der Baustelle verkürzt werden
kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Druckbehälter gemäß dem ersten
Anspruch vorgeschlagen. Durch die vorgeschlagene, nach innen gewölbte Form der einzelnen
Außenwandsegmente, die parabelförmig oder vereinfacht auch kreisbogenförmig gestaltet
sein kann, wird vermieden, daß aufgrund des Innendrucks in der Außenwand Zugspannungen
auftreten. Diese Zugspannungen sind insbesondere bei Betonbauteilen nicht erwünscht.
Wenn die Außenwand beispielsweise aus Fertigbetonteilen hergestellt ist, werden
die bei Transport, Montage und beim Aufbringen der Umfangsvorspannung auftretenden
geringen Zugspannungen in bekannter Weise durch eine entsprechende Armierung in
den Fertigbetonteilen vermieden.
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Wichtig ist aber, daß der spätere Innendruck im Behälter in den nach
innen gewölbten Außenwandteilen nur Druckspannungen verursachen kann und eventuelle
Druck- oder Temperaturerhöhungen im Inneren des Behälters in den außen angeordneten
Gegenspanngliedern die Zugspannung und damit in den nach innen gewölbten Außenwandteilen
die Druckspannung erhöhen. Mit zunehmender Behältertemperatur wächst die Gegenspannung,
da die außen angeordneten Gegenspannglieder wesentlich kälter bleiben. Damit sind
bei Betonbehältern wesentlich höhere Behältertemperaturen als bisher möglich.
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Selbstverständlich kann die Außenwand auch in Ortbeton hergestellt
werden. Auch in diesem Fall werden immer noch erheblich Mengen an hochwertigem Beton
und Spannstahl eingespart. Die Trocknung eines solchen dünnwandigen Behälters ist
unproblematisch und die Montage des inneren Behälters oder sonstiger Einbauten wird
nicht verzögert, weil der Zwischenraum zwischen innerem und äußerem Behälter nachträglich
mit einem trockenen Material ausgefüllt werden kann. Die vorgeschlagene Anordnung
von nacn
innen gewölbten Außenwandteilen mit außen polygonartig
angeordneten Gegenspanngliedern bezieht sich grundsätzlich auf zahlreiche verschiedene
geometrische Formen von Behältern.
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So ist-es beispielsweise möglich, einen Kuge-lbehälter zu ersetzen
durch ein Gebilde aus zahlreichen nach innen gewölbten flächigen Außenwandteilen,
deren gerade seitliche Begrenzungen einen Pentagondodekaeder bilden. Weiterhin können
mehrdimensional gekrümmte Behälterformen ersetzt werden durch Kombinationen einiger
weniger Typen von gewölbten Fertigteilen mit rechteckigem, trapezförmigem oder -polygonförmigem
Umfang. Die wesentlichen Vorteile dieser Erfindung zeigen sich aber bereits bei
stehenden zylindrischen Behältern aus zahlreichen über den Umfang gleichmäßig verteilten
und nach innen gewölbten Außenwandteilen, die am oberen bzw. unteren Ende mit einem
Deckel bzw. Boden von etwa sternförmigen Grundriß verbunden sind. Ein weiterer Vorteil
dieser Bauweise ist, daß die außen angeordneten Gegenspannglieder überwachbar bleiben
und nicht den im Inneren des Behälters auftretenden hohen Temperaturen ausgesetzt
sind. Der Zwischenraum zwischen dem äußeren und dem inneren Behälter kann in bekannter
Weise mit Sand, mit einer Kugelschüttung aber auch mit blockartigen festen Körpern
ausgefüllt sein. Wenn diese Materialien oder Körper in geeigneter Weise durch entsprechende
Einschließung am Ausweichen gehindert sind, übertragen sie die im inneren Behälter
auftretenden Druckkräfte auf den äußeren Behälter, der diese Kräfte in den erfindungsgemäß
nach innen gewölbten Außenwandteilen als reine Druckkräfte aufnimmt. Auch der innere
Behälter wird nur durch Druck beansprucht, indem die äußere polygonale Gegenvorspannung
in der Füllmasse zwischen dem äußeren und inneren Behälterring Druckspannungen erzeugt,
die den Innenbehälter zusammenpressen und in diesem Ringdruckkräfte hervorrufen,
die größer sind, als die vom Innendruck erzeugten Ringzugkräfte. Damit bleibt der
Innenbehälter in jedem Belastungszustand auch ohne zusätzliche stählerne Vorspannelemente
unter Druckspannungen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen,
daß
die den äußeren Behälter polygonartig umgebenden Gegenspannglieder zumindestens
teilweise aus ebenen vorgespannten Fertigteilen bestehen, die miteinander unter
Vorspannung verbunden sind. Die beispielsweise aus Stahlseilen mit je einer Schlaufe
an den Enden bestehenden Gegenspannglieder werden in einem stabilen Rahmen vorgespannt,
mit einer zusätzlichen schlaffen Bewehrung versehen und mit Beton vergossen. Wenn
dieser Beton hart geworden ist, kann man die Gegenspannglieder aus dem Rahmen lösen
und zur Baustelle transportieren. Dort werden benachbarte Gegenspannglieder über
die herausstehenden Schlaufen und beispielsweise mit geeigneten Keilverbindungen
miteinander unter Vorspannung verbunden. Gemäß diesem Vorschlag können also auch
die Gegenspannglieder außerhalb der Baustelle mit der nötigen Vorspannung versehen
werden, sie sind gegen Korrosion geschützt und können überwacht, ausgewechselt oder
beispielsweise durch Röntgenstrahlung überprüft werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zwischen
dem konzentrischen inneren und äußeren Behälter ein oder mehrere nicht konzentrische
Behälter angeordnet sind. Diese sogenannten Kavernen sind insbesondere für Kernreaktoranlagen
von Bedeutung, bei denen beispielsweise ein Reaktorkern im inneren Behälter angeordnet
ist und in diesen Kavernen mehrere parallel geschaltete Wärmetauscher und/oder Dampferzeuger
angeordnet sind, die aus Sicherheits-technischen Gründen im selben äußeren Behälter
wie der Reaktorkern angeordnet sein sollen und die aus wirtschaftlichen Gründen
möglichst in der Nähe des Reaktorkerns angeordnet sein sollen. Bei den üblichen
dickwandigen Stahlbetonbehältern stellen solche Kavernen erhebliche Störstellen
des Kraftflusses Behälter dar, was durch zusätzliche Stanlmengen kompensiert werden
muß. Bei dem Druckbehälter gemäß vorliegender Erfindung werden diese Kavernen durch
die sie umgebenden Materialien oder Körper nur auf Druck beansprucht und können
daher in ähnlicher Konstruktion wie der innere Behälter ausgeführt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen,
daß
mindestens ein Behälter aus zahlreichen dünnwandigen Fertigteilen besteht, deren
sich berührende Kontaktflächen jeweils in gleicher Richtung schwach gekrümmt sind,
wobei die konkaven Kontaktflächen einen gleichen oder etwas größeren Krümmungsradius
aufweisen als die konvexen.
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Gemäß dieser Ausgestaltung können sich benachbarte Wandelemente aufeinander
abwälzen. Auf diese Weise werden zwischen benachbarten Wandelementen Kantenpressungen
vermieden, wie sie aufgrund kleiner Winkeländerungen bei Montage, Aufbringen der
Gegenspannung oder durch örtlich unterschiedliche Temperaturen auftreten können.
Außerdem trägt diese Anordnung dazu bei, daß zwischen benachbarten Wandelementen
nur Druckkräfte übertragen werden. Die nur geringfügig unterschiedlichen Krümmungsradien
der beiden sich berührenden Kontaktflächen werden unter Druck in berechenbarer Weise
verformt und verteilen so in gewünschter Weise die übertragenen Druckkräfte auf
einen großen Bereich der Kontaktflächen. Außerdem verhindert die Krümmung den direkten
Austritt der Strahlung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wobei ein Behälter auf seiner
konvexen Seite mit einer ringförmigen Bewehrung versehen ist, wird vorgeschlagen,
daß am Umfang des Behälters mindestens ein Teil vorhanden ist, das in tangentialer
Richtung aufgeweitet werden kann. Mit diesem Teil, das beispielsweise in Längsrichtung
eine senkrechte Trennfuge aufweist und über die Höhe verteilt zahlreiche hydraulisch
zu betätigende Pressen oder Keile aufweist, werden in einfacher Weise die Fertigteile
in Umfangs richtung verspannt. Während die gemäß der deutschen Auslegeschrift 15
59 150 vorgeschlagenen trapezförmigen Teile alle annähernd gleichzeitig und gleichmäßig
durch axiale Druckkräfte gegeneinander verspannt werden müssen, wobei auch erhebliche
Reibungskräfte überwunden werden müssen, gestattet die vorgeschlagene Ausführung,
daß theoretisch mit einer einzigen Spannvorrichtung, praktisch zweckmäßigereise
durch mehrere über den Umfang gleichmäßig verteilte Spannvorrichtungen, die Fertigteile
mit erheblich geringerem Aufwand in Umfangsrichtung verspannt werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wobei die Fertigteile aus
Beton hergestellt sind, wird vorgeschlagen, daß die Kontaktflächen der Betonteile
mit einem Blech überzogen sind. Diese Bleche verteilen aufgrund ihrer höheren Elastizität
die zu übertragenden Druckkräfte auf eine größere Fläche, sie vermeiden bei Fertigungsungenauigkeiten
örtlich unzulässig hohe Flächenpressungen und schützen die Kontaktflächen bei Transport
oder Montage vor zufälligen Beschädigungen. Wenn diese Bleche mit einem weichen
Material bedeckt sind, sind die Fugen sogar dicht verschlossen.
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Die Figuren 1 bis 5 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Figur 1 zeigt einen halben waagerechten Querschnitt durch einen mehrschaligen
vorgespannten Druckbehälter.
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Figur 2 zeigt in einem größeren Maßstab einen waagerechten Querschnitt
durch den inneren Behälter.
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Figur 3 zeigt im vergrößerten Maßstab eine Eckverbindung des äußeren
Behälters aus Figur 1.
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Figur 4 zeigt eine andere Ausgestaltung der Eckverbindung.
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Figur 5 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Druckbehälter eines gasgekühlten Kernreaktors.
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In Figur 1 wird der in Figur 2 näher dargestellte innere Behälter
1 von einem körnigen Füllmaterial 2 umgeben, das außen durch mehrere über den Umfang
verteilte und nach innen gewölbte Wandelemente 3 begrenzt ist, die jeweils an Eckverbindungen
4 anliegen und durch polygonartig angeordnete ebene Gegenspannglieder 5 oder 6 zusammengehalten
werden, deren Zugkräfte durch innerhalb der Eckverbindungen 4 angeordnete Zugelemente
7 übertragen werden. Sowonl die bogenförmigen Wandelemente 3 als auch die ebenen
Gegenspannglieder 5 sind aus Fertigbeton mit einer darin enthaltenen, in Figur 1
nicht gezeichneten Stahlbewehrung hergestellt.
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Die Verspannung der Gegenspannglieder 5 wird in nicht näher dargestellter
Weise erreicht, in dem an den Enden jeweils
herausragende Schlaufen
oder Ösen mit den in entsprechender Höhe angeordneten Schlaufen oder Ösen der Eckverbindungen
4 verspannt werden. Die Gegenspannglieder 6 bestehen aus Drahtseilen oder Zugstangen,
die durch Spannschlösser 9 gespannt werden. Im Füllmaterial 2 zwischen dem Innenbehälter
1 und den bogenförmigen Wandelementen 3 sind mehrere Kavernen 10 angeordnet, die
prinzipiell an beliebiger Stelle, aus Platzgründen jedoch zweckmäßigerweise in den
aus zwei bogenförmigen Wandelementen 3 gebildeten Ecken angeordnet werden.
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Figur 2 zeigt in näherer Ausgestaltung den in Figur 1 schematisch
nur als Zylinder dargestellten Innenbehälter 1, bestehend aus zwei unterschiedlichen
Fertigbetonteilen 21 und 22, deren sich berührende Kontaktflächen jeweils in gleicher
Richtung schwach gekrümmt sind, wobei die konkaven Kontaktflächen einen gleichen
oder etwas größeren Krümmungsradius aufweisen als die konvexen. Die Krümmungsradien
sind in diesem Fall zur Verdeutlichung viel kleiner als notwendig dargestellt. Tatsächlich
können bei einem lichten Durchmesser des inneren Behälters von etwa 10 m Krümmungsradien
von 10 bis 20 m verwendet werden. Als Alternative zu Figur 1 hat der in Figur 2
dargestellte Innenbehälter eine ringförmige Bewehrung erhalten. Die durch eine Trennfuge
geteilten Fertigteile 23 und 24 entsprechen in ihrer äußeren Form dem Teil 22 und
können durch hydraulische Pressen, die nur schematisch durch-den Doppelpfeil 25
angedeutet sind, in tagentialer Richtung auseinandergepreßt und anschließend vergossen
werden. Dadurch wird die aus zahlreichen ringförmig aufgewickelten Drahtseilen bestehende
äußere Bewehrung 26 vorgespannt. fliese Bewehrung 26 hat sowohl innen als auch außen
je eine Gleitschicht 27 und 28, mit der die beim Vorspannen auftretende Reibung
in tangentialer Richtung verringert werden soll. Ganz außen ist noch ein Blechmantel
30 angeordnet. Mit den gestrichelten Linien 30 wird angedeutet, daß an dieser Seite
Rohrleitungen den inneren Behälter durchdringen können.
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Figur 3 zeigt mit denselben Bezeichnungen wie in Figur 1 im vergrößerten
Maßstab eine Eckverbindung 4, die sich über gekrümmte Kontaktflächen auf die beiden
bogenförmigen Wandelemente 3 abstützt. In den Eckverbindungen 4 sind mehrere waagerechte
Zuganker 7 enthalten, die über Ösen oder Schlaufen 8 und Gegenspannglieder 6 mit
den entsprechenden Zugankern 7 in der nächsten Eckverbindung 4 verbunden sind.
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Außerdem erhalten die Eckverbindungen 4 mehrere senkrechte Kanäle
31, in denen nicht näher dargestellte Spannelemente zum Aufbringen einer senkrechten
Vorspannung angeordnet sein können.
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Figur 4 zeigt eine im Prinzip der Eckverbindung in Figur 3 entsprechende
Verbindung der zwei bogenförmigen Wandelemente 3, die in diesem Fall aus einem Doppel-T-Träger
40 besteht, in dem die beiden Wandelemente 3 eingegossen sind und der durch außen
angeordnete Zuganker 41 und über Gegenspannglieder 6 mit der benachbarten Ecke verbunden
ist.
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Figur 5 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch den Druckbehälter
eines gasgekühlten Kernreaktors, wobei ein Teil der linken Hälfte weggelassen ist.
Zwischen dem zylindrischen Innenbehälter 1 und der aus nach innen gewölbten Wandelementen
3 bestehenden Außenwand ist ein körniges Füllmaterial 2 vorgesehen, das den Kraftfluß
zwischen dem Innenbehälter 1 und den Wandelementen 3 gewährleistet, die wie in Figur
1 gezeigt, durch die Gegenspannglieder 5 zusammengehalten werden. Der ganze Behälter
ruht auf einer Bodenplatte 50, die im Bereich des inneren Behälters 1 parabelförmig
nach innen gewölbt ist und von mehreren Öffnungen 51, 52 und 53 für verschiedene
Rohrleitungen durchsetzt sein kann. Teil 54 ist ein Schutzelement mit wärmedämmenden
Eigenschaften. Der Druckbehälter wird an seiner Oberseite verschlossen durch einen
ebenfalls annähernd parabelförmig nach innen gewölbten Deckel 55, der im Bereich
des inneren Behälters 1 einen aus Montagegründen abnehmbaren inneren Deckel 56 mit
mehreren Öffnungen 57 aufweist. Innerhalb des Füllmaterials
2 sind
zwischem dem inneren Behälter 1 und den Wandelementen 3 mehrere Kavernen 10 angeordnet.
Der obere Deckel 55 ist mit dem Boden 50 durch mehrere in den Eckverbindungen 7
angeordnete senkrechte Zuganker 58 verbunden. Außerdem werden sowohl der Boden 50
als auch der Deckel 55 durch eine ringförmige Vorspannung 59 bzw. 60 zusammengehalten.
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